Изучение речных долин быстро приведёт нас к выводу, что эти формы рельефа, где бы они ни находились — в горах или на равнине, под тропиками или за полярным кругом, в лесной области или в степи, — в главных своих чертах похожи одна на другую.
Из этого следует, что они порождены одной и той же причиной. Ряд признаков показывает, что долина — вовсе не готовое углубление в земной поверхности, пассивно занятое водным потоком, а продукт работы самой реки, результат её разрушительной деятельности.
Разрушительная деятельность текущей воды, приводящая в первую очередь к образованию врезанных в земную кору линейно вытянутых желобообразных углублений (рытвин, оврагов, долин), носит название эрозии. Эрозия тесно связана с переносом материала, так как при этом к непосредственному трению воды о поверхность горной породы присоединяется разрушение этой поверхности с помощью песка, гальки, камней и т. д., передвигаемых рекой волочением по дну. Благодаря трению о дно обломки горных пород сами постепенно истираются, делаются всё меньше по размерам и всё сильнее окатанными по форме, так как острые углы и выступы их быстро уничтожаются. Но в то же время, толкаемые водой, они царапают и выскабливают дно и бока русла, углубляя его и расширяя. В каждой реке, кроме водного потока, существует практически ещё и другой — каменный, песчаный или галечный, который медленно скользит по дну русла, увлекаемый и подталкиваемый текущей над ним водой. В горных реках с быстрым течением движение этого каменного потока можно видеть непосредственно глазами.
Работу текущей воды, направленную на углубление долины, оврага, рытвины, принято называть глубинной эрозией и противопоставлять её боковой эрозии, ведущей к расширению долины, оврага и т. п. На самом же деле оба вида эрозии действуют всегда совместно, хотя на разных участках течения или на одном и том же участке, но в разные стадии развития реки соотношение их меняется в пользу преобладания либо глубинной, либо боковой эрозии.
До недавнего времени считали, что общие законы эрозии можно проследить на любом типе водного потока. Таких типов известно три: склоновый поток (нерусловой), временный русловой поток и постоянный русловой поток (река). Однако оказалось, что, хотя эти три основных звена всякой гидрографической сети генетически связаны (из склонового потока в определённых ландшафтных условиях может образоваться овраг, из оврага река и, наоборот, из реки временный поток, а из временного нерусловой), законы эрозии в каждом из них качественно различны и, следовательно, различен и геоморфологический эффект воздействия их на земную поверхность.
Потоки нерусловые — чаще всего это струи дождя — отличаются тем, что в их водной массе, под влиянием ударов дождевых капель, возникает очень сильное перемешивание частиц воды («добавочная турбулентность»), не зависящее от скорости течения и вызывающее наиболее сильный размыв грунта на тех участках, где, очевидно, глубина потока наименьшая, т. е. в верхней части склона. Оттого нерусловые потоки, особенно энергично эродирующие верхние части склонов, в конечном счёте приводят к нивелированию земной поверхности. Результат действия русловых потоков другой: они расчленяют земную поверхность.
Дождевые струи, сбегающие время от времени вниз по склону, оставляют на его поверхности неглубокие борозды. Под влиянием сильного ливня или по другим причинам одна из таких борозд — обычно та, которая лежит на наиболее крутом участке склона — может превратиться в короткую промоину или рытвину. Впоследствии рытвина разрастается довольно быстро, так как по ней проходит сток более сосредоточенный, чем по поверхности склона. При наличии постоянного притока воды в рытвину (например, если дно её углубляется до водоносного горизонта) она из временного руслового потока становится рекой.
Интенсивность эрозионного врезывания распределяется неравномерно вдоль уклона ложа потока.
Представим себе наклонную поверхность участка суши, сложенного на всём протяжении однородной горной породой, плавно опускающуюся к уровню некоторого водоёма. По этой поверхности стекает поток в направлении, указанном стрелкой. Водоносность его (как это свойственно большинству рек) возрастает по направлению к устью за счёт поступления воды притоков. Около устья потока величина эрозионного вреза ограничена тем, что поток не может намного углубить своё русло ниже горизонтальной поверхности водоёма. В истоках врез также ограничен, но уже иной причиной: относительно малым количеством (малой энергией) воды. Значит, наибольший врез должен иметь место между этими двумя точками, и форма продольного профиля эрозионной борозды, вообще говоря, получается вогнутая. Однажды возникнув, эта форма оказывает затем немалое влияние на процессы эрозии. В дальнейшем эрозия на более крутом участке профиля будет сильнее, чем на более пологом, и эрозионная борозда удлиняется.
Таким путём мы пришли к выводу одного из основных законов речной эрозии: эрозия вырабатывает долину от устьев к верховьям, т. е. регрессивно; размыв осуществляется путём пятящейся эрозии. Точка В, от которой начался размыв (выработка долины), носит название базиса эрозии; вернее, базисом эрозии следует называть горизонтальную поверхность, ниже которой не может опуститься уровень воды в потоке. Общим базисом эрозии для всех рек земного шара служит поверхность Мирового океана. Базисом эрозии реки, втекающей в озеро, будет поверхность озера, а для реки, впадающей в другую реку, поверхность последней в месте впадения. Наличие базиса эрозии служит причиной того, что врезывание реки распространяется лишь вверх по течению. Однако в случае перемещения базиса эрозии удлинение речной долины может происходить не только в сторону верховьев (регрессивно), но и в сторону устья (трансгрессивно). Как указывает Н. И. Маккавеев, большие реки Русской равнины в основном развивались путём углубления и удлинения в низовьях: они прокладывали себе дорогу сквозь собственные дельты вслед за отступающим морем по освобождённой этим морем территории.
Чем длиннее становится река, тем больше площадь её водосбора, тем обильнее поступает в реку вода и тем сильнее транспортная способность реки. Но река не может удлиняться безгранично. С увеличением длины растут потери воды на испарение с поверхности реки, расходуется дополнительная энергия на удаление рыхлых наносов, в увеличенном объёме приносимых в реку склоновым стоком и временными потоками. Если река, удлиняясь, прорежет верховьями гребень водораздела — уменьшится общее её падение (снизится эрозия). Кроме того, в определённых климатических условиях с территории определённой площади высота слоя втекающих в реки атмосферных осадков тоже имеет физический предел. Вследствие этого река, достигнув известных размеров, прекращает рост (а иногда и начинает сокращаться путём отмирания верховьев).
Говоря о выработке долины, мы имели в виду пока глубинную эрозию. Если бы действовала она одна, долина получила бы облик каньона — узкого глубокого ущелья с вертикальными или почти вертикальными стенками; примерами таких каньонов служат каньон р. Сулака (Дагестан) длиной 53 км и глубиной 1920 м, «Сланцевое» ущелье, прорезанное в известняках правым притоком Аварского Койсу к югу от Карадаха (здесь вертикальные стены правого и левого берегов отстоят друг от друга только на 1—2 м) и др. На самом же деле в подавляющем большинстве случаев налицо одновременно и глубинная эрозия, и боковая: долина не только углубляется, но и расширяется, в результате чего её поперечный профиль имеет форму латинской буквы V. При этом роль боковой эрозии отнюдь не второстепенная: наглядно видно соотношение между количествами материала, удалённого глубинной и боковой эрозией при выработке долины; боковая эрозия (правда, при содействии сноса и смыва со склонов) унесла его гораздо больше, чем глубинная. Её работа заключалась в подмывании и подрезывании склонов долины, что вызывало обрушивание и оползание материалов склона и включение их в тот транспортный конвейер, которым является всякий водный поток. А так как этот конвейер не только переносит, но и действует одновременно как своеобразная пила, вгрызающаяся в земную кору с помощью материала, смытого со склонов или отторгнутого от них боковой эрозией, то тем самым обнаруживается и прямое влияние боковой эрозии на глубинную.
Скорость врезывания реки в глубину в данной точке и скорость регрессивного распространения этого врезывания вверх по реке зависит от многоводности реки, скорости течения, твёрдости пород, слагающих русло, и количества поступающего в реку рыхлого материала, скатывающегося или смываемого дождевыми струями со склонов долины. Зависимость от первых двух факторов прямая: чем река многоводнее и быстрее, тем эффективнее и глубинная эрозия. Зависимость от остальных двух факторов обратная: твёрдые породы сопротивляются врезыванию, а поступление в реку больших количеств материала со склонов тормозит глубинную эрозию. Вырытое эрозией русло как бы вновь засыпается; кроме того, чем больше поступает в реку рыхлого материала, тем большая доля свободной энергии реки тратится на вынос этого материала и, следовательно, тем меньшая доля энергии остаётся на работу углубления русла. Отсюда видно, что врезывание реки и глубинная эрозия — понятия не равнозначные: при наличии глубинной эрозии врезывания может и не быть, если развиты процессы, аннулирующие результат глубинной эрозии.
Следуя М. Д. Гаврилову, отношение фактически поступающего в реку рыхлого материала к её транспортной способности можно назвать «относительной нагрузкой потока» (ОНП). Если ОНП меньше единицы, г. е. в реку поступает наносов меньше, чем она в состоянии перенести, река способна эродировать, так как располагает некоторым избытком энергии. Если ОНП > 1, происходит аккумуляция. При ОНП = 1 имеет место только перенос. Очевидно, что ОНП может меняться эпизодически (например, при ливне), посезонно (в зависимости от распределения осадков в году), ритмически (в связи с ритмическими колебаниями климата), а также может иметь вековой ход, обусловленный колебательными движениями земной коры и вековыми изменениями климата. Первые три случая подчинены вековому ходу.